수소자동차, 충전소 등이 늘면서 안전과 직결된 수소센서의 중요성이 부각되고 있다. 수소누출 감지를 위한 핵심 성능 지표인 센서 감지 속도의 경우 1초 이내 감지 기술이 도전 과제로 남아 있다.
KAIST는 전기‧전자공학부 윤준보 교수팀의 조민승 박사가 현대차 기초소재연구센터 전자기에너지소재 연구팀, 부산대학교 서민호 교수와의 협업으로 모든 성능 지표가 공인 기준을 충족하면서 감지 속도 0.6초 이내의 수소센서를 세계 최초로 개발했다고 10일 밝혔다.
KAIST는 기존 상용 수소센서보다 빠른 감지 기술 확보를 위해 현대차와 지난 2021년부터 차세대 수소센서 개발에 착수한 바 있다. 2년여 만에 개발에 성공한 센서 소자는 세계 최초로 미국 에너지부(DOE) 기준 성능을 충족하는 수소센서 개발로 이어질 가능성이 매우 높다.
기존 수소센서 연구는 팔라듐(Pd) 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 등 주로 감지 소재에만 집중된 측면이 있다. 이런 연구들은 특정 성능 지표는 매우 뛰어나지만 모든 성능 지표를 충족하지는 못했으며, 일괄 공정이 어려워 상용화에 한계가 있었다.
연구진은 이를 극복하기 위해 순수한 팔라듐 물질 기반으로 독자적인 마이크로‧나노 구조 설계, 공정 기술을 접목해 모든 성능 지표를 만족하는 센서를 개발했다. 또 향후 양산을 고려해 합성 소재가 아닌 순수 금속 소재들을 활용했으며, 반도체 일괄 공정을 적용한 대량생산이 가능하다.
이번에 개발된 소자는 히터-절연층-감지물질이 수직으로 적층되어 있는 기존 가스센서의 불균일한 온도 분포를 극복하기 위해 히터와 감지물질이 동일 평면상에 나란히 집적되어 있는 공면(Coplanar) 구조를 적용했다.
감지물질인 팔라듐 나노 소재가 공중에 떠 있는 구조로 하단부까지 공기 중에 노출되어 가스와의 반응 면적을 극대화했다. 또 팔라듐 감지물질이 전 영역에서 균일한 온도로 동작해 감지의 폭과 정확성을 높였다.
연구팀은 개발한 소자를 블루투스 모듈과 패키징해 무선으로 1초 이내로 수소누출을 감지하는 통합 모듈을 제작해 성능을 검증했으며, 이는 기존 고성능 광학식 수소센서와 달리 휴대성이 높아 다양한 용처에 적용될 수 있다.
연구를 주도한 조민승 박사는 “0.6초 이내의 동작 속도를 가질 뿐만 아니라 0.1~10% 농도의 수소감지 성능, 영하 10℃~80℃ 동작 온도, 1만 회 이상 반복 동작 등 세계 최고 성능의 수소센서”라며 “수소차, 충전소, 가정 등 다양한 곳에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
연구팀은 개발된 소자를 현대자동차와 함께 웨이퍼 크기로 만들어 차량용 모듈에 탑재해 감지‧내구 성능을 추가로 검증하는 단계를 밟고 있다. KAIST 조민승 박사가 제1 저자로 수행한 이번 연구는 미국, 한국 등에 3건의 특허가 출원돼 있으며, 국제 학술지 ‘ACS Nano’에 출판됐다.